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목재 보존처리법 - 제 6 장 -

□ 목재 내부로의 약제의 침투

• 목재: 다공질이나 난주입성 재료

• 목재의 구조, 처리 약제의 성질, 처리 조건 등에 따라 복합적으로 진행

• 약제의 침투 기구

- 벽공벽의 미세공극: 유동(bulk flow, mass flow)

- 벽공벽과 세포벽에 임시로 형성되는 모세관: 확산(diffusion)

• 약제 침투량

- 유동 > 확산

- 벽공벽의 상태가 중요

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유연벽공과 벽공벽

제1절 목재 내 약제 침투에 영향을 미치는 인자

1. 목재의 성질 • 목재의 침투성은 동일 수종일지라도 산지, 생장의 良否에 따라

차이가 발생

가. 목재 수종

1) 침엽수재의 침투 통로

▫ 침엽수재 구성 세포: 90% 이상 가도관

▫ 약제 침투의 대부분은 가도관을 통해 이루어짐

가) 섬유방향(수축방향)

◦ 가도관의 유연벽공대: 유동에 의한 주요 침투 통로

◦ 축방향 유세포, 수직수지구: 유동에 의한 침투 미미

- 세포내강: 유세포 물질, 수지 등이 충전

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Resin canal 3-D image of bordered pit

나) 방사방향

◦ 방사조직: 유동에 의한 주요 침투 통로

◦ 방사조직의 구성: 방사유세포 + 방사가도관

(일부 수종: 방사유세포로만 구성)

◦ 침투 통로 역할: 방사가도관 > 방사유세포

- 방사유세포로 침투된 약제: 반연벽공대에 일시적으로 형성되는

모세관을 통해 확산, 이동

* 반연벽공대(가도관+유세포): 토루스, 마르고 無, 미세공극 無

- 방사가도관으로 침투된 약제: 유연벽공대를 통해 인접 가도관으로

용이하게 유동

* 유연벽공대(가도관+가도관): 토루스, 마르고 有, 미세공극 有

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침엽수재의 방사조직

소나무의 방사조직 (방사가도관 + 방사유세포)

소나무의 분야벽공

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다) 접선방향

◦ 가도관의 유연벽공대: 유동에 의한 주요 침투 통로

◦ 유연벽공의 분포: 가도관의 방사벽에 집중

- 가도관 간의 측면 유동: 주로 접선방향

- 방사방향으로의 유동은 극히 제한

가도관 유연벽공의 분포

2) 활엽수재의 침투 통로

▫ 주요 침투 통로: 도관

- 세포내강이 넓고 천공판에 의해 상하 연결

▫ 약제의 침투(이동)

- 미세 공극을 통한 유동: 섬유방향(도관요소와 도관요소 간) 이동

- 일시적인 모세관을 통한 확산: 구성 세포 간 벽공벽을 통한 이동

* 벽공벽: 미세공극 無(토루스와 마르고 無)

• 유연벽공대: 도관+도관, 도관+목섬유, 목섬유+목섬유, 도관+가도관

• 반연벽공대: 도관, 목섬유, 가도관+유세포(축방향, 방사)

• 단벽공대: 유세포+유세포

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활엽수 수종 별 도관상호간 벽공벽의 미세공극

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도관의 벽공

나. 공극율

◦ 목재 내 약제의 최대 침투량: 목재 공극율에 좌우

◦ 실제 약제 침투량: 공극율의 약 70~80%

공극율(Vs) = [1 - SGs (0.65+ MC (%)

)]x100 100

SGs : 주어진 함수율에서 목재의 비중

기건비중 0.4, MC 17%인 목재

◦ 공극율: 67.2%

◦ 산술적 약제 침투량: 672 L/m3

◦ 실제 약제 침투량: (672 x 0.7~0.8) L/m3

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다. 변재와 심재

◦ 약제 침투성: 변재 > 심재

◦ 심재부

- 벽공벽의 미세공극: 심재물질로 충전

- 침엽수: 벽공의 폐색(閉塞)

- 활엽수: 타일로시스 생성

◦ 변재부

- 미세공극 충전되지 않음

- 침엽수: 건조에 의해 폐색된 벽공 → 가압에 의해 열림(가역적)

- 활엽수: 타일로시스 無

벽공의 폐색

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도관 내 타일로시스

타일로시스의 형성

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라. 조재와 만재

1) 침엽수

◦ 약제 침투성: 만재 > 조재

- 만재 가도관: 세포벽, 벽공벽 厚, 건조에 대한 저항력 大,

벽공 폐색율이 小

2) 활엽수

◦ 약제 침투성

- 환공재: 조재 > 만재

* 조재에 대형 관공 분포

- 산공재: 큰 차이 無

마. 목재 함수율

◦ 섬유포화점 이하

- 함수율 증가 → 목재 공극율 감소 → 침투성 감소

◦ 최대의 약제 침투성을 달성할 수 있는 최적 함수율

- 수종, 심재율, 목재의 크기에 따라 상이

미국 솔송나무

* 약제 침투량: 함수율 9% = 18% > 28%

Sitka spruce, CCA 처리

* 소형 시편: 변재 - 함수율 28%에서 침투량 최대

심재 – 함수율 47%에서 침투량 최대

* 심변재 함유 실대재: 함수율 17~86%까지 침투량 변화 無

☞ 약제 침투성에 미치는 인자: 함수율 < 투과성과 관련있는 목재의 구조

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미국솔송나무(Tsuga heterophylla, Western hemlock)

Sitka spruce(Picea sitchensis)

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2. 약제의 성질

가. 약제의 점도

◦ 약제의 목재 내 유동율: 약제의 점도와 반비례 관계

크레오소오트유

* 점도 8cp → 침투 깊이 6.5mm, * 점도 4cp → 침투 깊이 9.1mm

◦ 유상, 유용성 약제에서 큰 영향을 받음

나. 약제의 표면 장력

◦ 표면장력 大 → 모세관 상승력 증가

◦ 약제의 표면장력 大 → 목재 내 침투 깊이 大

◦ 약제 표면처리 – 도포, 분무, 침지법

- 약제의 표면장력 小 → 목재 표면에 대한 습윤성 大 → 목재 적심이 大

* 계면활성제 사용, 침투 깊이 개선효과는 無

1. 약제 침투 촉진을 위한 전처리

가. 기계적 가공

1) 박피

▫ 변재부: 약제 침투가 용이

- 원목 박피 시에 변재부가 과도하게 제거되지 않도록 주의

2) 치수조정, 전 절삭(precutting), 전 천공(preboring)

▫ 반드시 약제 처리 전에 가공

▫ 약제처리 후에 가공하게 되면

- 약제 침투 부위 제거, 무처리 부위 노출로 보존처리 효과 상실

제2절 목재의 보존처리

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방부처리 후 절단에 의한 약제 미침투부의 노출

방부처리 후 천공에 의해 내부 부후가 진행된 철도 침목

3) 할렬 방지 처리

▫ 건조 시 횡단면의 할렬 방지(방사방향 할렬)

▫ 방지법

- 생재 원목, 대단면재(철도 침목)의 횡단면에 O, C, S자형의 링 박기

- 철사 묶기

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4) 자상처리(自傷處理, Incising)

▫ 난주입성 수종의 약제 침투성 개선 처리법

▫ 재 표면에 상처(칼집)를 내어 약제의 침투깊이, 침투량 증가와 함께

약제의 균일한 침투 달성 – 깊고 균일한 약제 처리층(방부층) 형성

▫ 自傷의 방향과 개수

• 방향: 섬유방향에 약간 경사지게 처리(섬유의 횡단면 노출 증가)

• 개수: 약제 침투성에 따라 조정

- 약간 양호: 2천~3천 개/m2

- 곤란: 4천~5천 개/m2

- 매우 곤란: 7천~8천 개/m2

▫ 자상처리 도구

• 칼날(일반적), 침상, 레이저, 고수압 분사 등

▫ 자상처리와 강도 감소

• 두께 4cm 이하 판재: 자상 밀도(수)가 높고 깊으면 발생

• 두께 10cm 이상 각재: 강도 저하 발생 無

• 강도 저하는 10% 이내로 조절: 자상형태, 깊이, 밀도 등을 조절

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나. 건조

▫ 약제 처리 전 건조의 필요성

• 공극율 증가 → 약제 침투량 증가

▫ 약제 종류 별 목재 침투성과 건조 정도

• 유상, 유용성 약제: 세포벽 침투 없이 세포내강 벽만 피복

- 건조: 세포내강의 자유수 제거

• 수용성 약제: 세포벽 내부로 확산, 침투

- 건조: 자유수, 결합수 모두 제거

1) 천연건조

▫ 일반적인 건조법

▫ 목표 함수율: 평균 30% 전후

▫ 기간: 최저 1개월 ~ 최고 6개월

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1) 인공건조

▫ 약제처리를 위한 인공건조

• 약제 침투 깊이까지만 건조

가) Steaming and vacuum 법

▫ 처리 공정: 주약관 내 목재 투입 → 증기 투입 → 증기 투입 정지

→ 감압 → 증발 수분 응축 탈수

• 증기: 압력 1kg/cm3, 온도 118℃

- 투입 시간: 2시간 이상(목재 내부 온도 상승)

• 감압: 감압도 600mmHg

- 감압 시간: 2시간(목재 내부로부터 수분 증발)

• 1회 탈수 량: 50~70kg/m3

• 함수율 30% 이하까지 건조: 4~6회 반복

나) Boulton법(Boiling and vacuum 법)

▫ 건조와 동시에 약제 주입처리법

▫ 1879년 영국의 Boulton 개발

▫ 처리 약제: 크레오소오트유, 유용성 약제

• 철도 침목, 전주용 원목: 크레오소오트유 처리

▫ 특징: 표면 할렬을 크게 감소시킬 수 있으나 강도 감소 동반

▫ 처리 공정

• 주약관 내 목재 투입 → 크레오소오트유 투입(주약관 1/2까지)

→ 가열(100℃, 소정시간) → 감압(600mmHg, 20~40시간) →

목재 중의 수분 탈수, 제거 → 가압 → 목재 내 크레오소오트유 주입

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2. 약제 처리 방법

• 상압 처리법

- 도포법, 분무법, 침지법, 온냉욕법, 확산법

• 가압 처리법

- 충세포법, 공세포법, 반공세포법

• 처리법과 목재 함수율 조건

- 확산법: 생재 함수율

- 기타 처리법: 기건 함수율

가 온냉욕법(溫冷浴法)

▫ 짧은 시간 내에 다량의 약제를 침투시킬 수 있는 침지법의 일종

▫ 처리 공정

• 약액 중에 목재 침지 → 약액 가열(①) → 약액 냉각(②) → 목재 회수

• ① 과정

- 목재 가열 → 목재 내 공기 팽윤, 압력 상승 → 기포상태로 외부로 탈출

• ② 과정

- 목재 냉각 → 목재 내 잔존 공기 냉각, 수축 → 목재 내부 대기압보다

낮은 압력 발생 → 압력 차에 의해 목재 내로 약액 흡수

▫ 냉각 방법 및 시간

• 급냉법: 냉각 시간 = 가열 시간 + 1시간

• 방냉법: 냉각 시간 = 가열 시간 + 20시간

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▫ 처리 온도

• 가열: 수용성-80℃, 크레오소오트유-110℃ 전후

• 냉각: 수용성-실온, 크레오소오트유-35~50℃(저온: 점도 상승)

▫ 처리 공정 별 약액의 흡수

• 가열 공정: 총 흡수량의 1/3

• 냉각 공정: 총 흡수량의 2/3

▫ 약액 흡수량

• 방냉법 > 급냉법

나. 확산법

▫ 특수 시설 및 장치 불필요, 현장처리 가능

▫ 다른 처리법과 다른 점

• 목재 함수율: 고 함수율일 수록 유리

• 처리 가능 약제: 수용성 약제

▫ 처리 원리: 확산 현상을 이용

• 용액 중의 용질의 이동(약제 유효성분): 고농도 부위 → 저농도 부위

• 확산 속도: 약제의 농도 구배에 비례

▫ 처리 공정

• 고함수율 목재 → 고농도(20~30%) 약액 도포 → 밀착, 잔적 → 횡단면에

고농도 약액 추가 도포 → 완전 피복(건조방지) → 방치(1주 ~ 수 주일)

▫ 처리 목재 중의 약제의 분포

• 재 표면과 내부 간에 약제 유효성분의 농도 차 발생

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다. 가압주입법

▫ 다른 처리법에 비하여 효과적, 능률적

• 약제의 침투 깊이가 깊고

• 균일한 침투 가능

• 약제 흡수량 조절 가능

▫ 대규모 처리 시설이 필요

1) 충세포법(充細胞法, Full-cell process)

▫ 1838, 영국, John Bethell 개발 – Bethell법

▫ 가압처리법의 표준 공정 – 가장 많이 사용

▫ 수용성 약제의 처리법

▫ 목적: 목재의 세포 공극에 다량의 약액 주입, 충만

▫ 처리 공정

• 주약관 내 목재 투입 → 전배기(600mmHg, 15~60분)

→ 약액 투입(충만) → 가압(9~14kg/cm3) → 가압 정지

→ 약액 회수 → 후배기

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Full-cell process

2) 공세포법(空細胞法, Empty-cell process)

▫ 1902, 독일, Rűping 개발 - Rűping 법

▫ 처리 약제: 크레오소오트유

▫ 목적: 약액의 침투는 깊게, 침투량은 적게

• 세포벽: 약액으로 피복

• 세포내강: 빈 공간

☞ 이유: 세포 내강에 충만된 크레오소오트유는 완전 건조되지 않음

→ 처리 목재 사용 중 기온 상승 → 크레오소오트유 외부로

삼출(渗出) → 토양 오염

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▫ 처리 공정

• 주약관 내 목재 투입 → 공기 압입 → 약액 투입 → 가압

→ 가압 정지 → 약액 회수 → 후배기

3) 반공세포법(半空細胞法, Semi-empty-cell process)

▫ 1906, 미국, Lowery개발 – Lowery 법

▫ 공세포법과 거의 동일

▫ 약액 흡수량: 반공세포법 > 공세포법

▫ 처리 공정

• 주약관 내 목재 투입 → 약액 투입 → 가압 → 가압 정지

→ 약액 회수 → 후배기

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라. 기타 처리법

▫ 교차 가압·감압법, 진공 주입법, 교호 가압법,

고압 파동법, 저압 처리법 등

한학기 동안 수고 많이 했습니다. 즐겁고 보람있는

여름 방학 되시길…..